CN107080937B - 智能下棋机器人的棋子在棋盘上位置、颜色的识别方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了智能下棋机器人的棋子在棋盘上位置、颜色的识别方法，包括以下几个步骤：建立电子棋盘模块，建立计算机程序处理模块，安装机械臂控制装置。本发明基于霍尔传感器的电子棋盘不受环境光线影响，能准确的识别棋子的在棋盘上的位置及棋子颜色；本发明机械臂控制装置中提供了一种实现棋子翻转的一种解决方案，提高了棋子摆放及翻转的效率；本发明将下棋机器人整套系统划分成三部分（电子棋盘模块，计算机程序处理模块、机械臂控制装置）来分别设计，降低了设计、制作及维护难度，提高了系统各部分稳定运行的可靠性。

Description

智能下棋机器人的棋子在棋盘上位置、颜色的识别方法
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，具体为智能下棋机器人的棋子在棋盘上位置、颜色的识别方法。
背景技术
机器人(Robot)是自动执行工作的机器装置，一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统和复杂机械等组成。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作，而下棋机器人是机器人在棋类博弈中一种具体的应用，能像人类一样，自主的完成下棋的整个过程。
现有大多数下棋机器人设计复杂，占用空间大，成本高昂，基于图像识别棋子位置，易受环境光线亮度变化而影响识别的准确度，并且以现有的技术，还没有能解决棋子翻转的机械设计方案。鉴于此，我们提出智能下棋机器人的棋子在棋盘上位置、颜色的识别方法。
发明内容
本发明的目的在于提供智能下棋机器人的棋子在棋盘上位置、颜色的识别方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
智能下棋机器人的棋子在棋盘上位置、颜色的识别方法，包括以下几个步骤：
建立电子棋盘模块：将所述电子棋盘模块整体划分为驱动电路单元A区、霍尔元件阵列单元B区、电压比较单元C区和信息处理单元D区，所述驱动电路单元A区用于增加电子棋盘模块的驱动能力，所述霍尔元件阵列单元B区用于将电子棋盘模块中棋格内有无棋子及棋子的颜色输出不同的电压，所述电压比较单元C区用于对霍尔元件阵列单元B区输出的电信号进行处理，通过电压比较，完成电压的比较功能，所述信息处理单元D区用于对电压比较单元C区输出信号的接收和进一步处理，并通过串行口，将最后处理的棋盘信息数据发送到计算机，方便计算机的进一步处理，所述电子棋盘模块用于完成棋子在棋盘上位置的识别及颜色识别，具体包括以下步骤：
a确定棋子的颜色面：在每个棋子的内部安装有磁铁，磁铁有两级，分别为S极和N极，不同磁极对应棋子的不同颜色面，
b构建霍尔元件阵列单元：棋子中有磁铁，当棋子被移动到某个位置的，该处的磁场就大大增强，在每个棋盘的格点处，挖一个圆孔来放置具有双极性的霍尔元件，从而构成霍尔元件阵列单元，
c完成棋子的位置识别及颜色识别：每个棋格下面都有一个霍尔元件，当棋格里有棋子时，该棋格处磁场会大大增强，且根据棋子朝上面的颜色不同，在棋子正下方的霍尔元件检测到的磁场的极性不一样，进而霍尔元件会输出不同的电压，通过检测棋盘上每个霍尔元件的输出电压，进而确定棋格上有没有棋子，若有，根据输出电压同时判断出棋子是黑面朝上还是白面朝上，完成棋子的位置识别及颜色识别；
建立计算机程序处理模块，具体过程为：电脑程序主要通过对电子棋盘模块传送的棋盘信息进行接收处理，以此来获取棋盘上棋子的分布信息，进而通过算法，给出计算机下一步要行棋的位置，并将此信息传送到机械臂控制装置，让机械臂控制装置来控制机械臂的具体操作来完成在棋盘上的行棋过程；
安装机械臂控制装置，所述机械臂控制装置包括机械臂单元机构一、机械臂单元机构二和机械臂单元机构三，所述机械臂单元机构一包括底座滑板一和第一步进电机，所述底座滑板一的下端与第一步进电机的输出轴相连接，所述底座滑板一的上表面设有导轨，所述导轨上滑动连接有一卡座，所述机械臂单元机构二包括底座滑板二和第二步进电机，所述底座滑板二的上端与第二步进电机的输出轴相连接，所述底座滑板二的底部左右两侧均设有固定柱，所述卡座上设有与固定柱相匹配的凹槽，且固定柱通过螺钉固定连接于凹槽内，所述底座滑板二的中央位置分别开有第一卡槽和第二卡槽，且第一卡槽和第二卡槽相互平行，大小、结构相同，所述机械臂单元机构三包括底座滑板三、第三步进电机、底座滑板四和第四步进电机，所述底座滑板三的上端与第三步进电机的输出轴相连接，且底座滑板三与第一卡槽之间通过轴承转动连接，所述底座滑板四的上端与第四步进电机的输出轴相连接，所述底座滑板三的下端通过固定部件连接有第一舵机，所述底座滑板四的下端通过固定部件连接有第二舵机，且底座滑板四与第二卡槽之间通过轴承转动连接，所述第一舵机和第二舵机的机架两侧内壁上均设有电磁吸盘，所述机械臂控制装置用于实现棋子的反转，具体包括以下步骤：
a通过第一步进电机和第二步进电机分别带动底座滑板一和底座滑板二运动，从而使该机械臂在X轴和Y轴方向上运动，进而将第一舵机移动到要翻转的棋子上方，
b第三步进电机带动第一舵机向下运动，使第一舵机机架上的电磁吸盘贴近待翻转的棋子，并使电磁吸盘通电吸取棋子；使第二舵机的机架顺时针旋转90度，
c第三步进电机带动第一舵机向上运动一定距离，再使第一舵机控制机架逆时针转动90度，
d第三步进电机继续带动第一舵机向上运动，直到使得第一舵机、第二舵机机架上的电磁吸盘处于同一水平线上，此时棋子就在两电磁吸盘中间，
e在第一舵机上的电磁吸盘断电的同时第二舵机所带的电磁吸盘通电，将棋子从第一舵机的电磁吸盘交换到了第二舵机的电磁吸盘上，
f第四步进电机带动第二舵机向下运动一定距离，再使第二舵机控制机架逆时针转动90度，同时通过底座滑板一和底座滑板二上第一步进电机和第二步进电机的调整，使得第二舵机的正下方就是要落子的位置，
g第四步进电机继续第二舵机向下运动，直到第二舵机所带的电磁吸盘上的棋子贴近棋盘，再使该电磁吸盘断电，将棋子落到棋盘上，
h机械臂恢复原来开始的状态,至此完成了棋子的落子及翻转的全部过程。
优选的，所述霍尔元件阵列单元B区为8*8的霍尔元件阵列。
优选的，所述计算机程序处理模块中电脑程序的开发采用LabVIEW图形化计算机语言。
优选的，所述机械臂单元机构一、机械臂单元机构二和机械臂单元机构三之间相互垂直，且呈三维空间结构。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明电子棋盘模块中，基于霍尔传感器的电子棋盘不受环境光线影响，能准确的识别棋子的在棋盘上的位置及棋子颜色。
(2)本发明机械臂控制装置中提供了一种实现棋子翻转的一种解决方案，提高了棋子摆放及翻转的效率。
(3)本发明将下棋机器人整套系统划分成三部分(电子棋盘模块，计算机程序处理模块、机械臂控制装置)来分别设计，降低了设计、制作及维护难度，提高了系统各部分稳定运行的可靠性。
附图说明
图1为本发明电子棋盘模块的总电路图；
图2为本发明驱动电路单元A区的电路示意图；
图3为本发明霍尔元件阵列单元B区的电路示意图；
图4为本发明电压比较单元C区的电路示意图；
图5为本发明信息处理单元D区的电路示意图；
图6为本发明机械臂控制装置的结构示意图；
图7为本发明机械臂控制装置中翻转棋子机构的细节放大图
图中：驱动电路单元A区、霍尔元件阵列单元B区、电压比较单元C区和信息处理单元D区、机械臂单元机构一1、底座滑板一11、第一步进电机12、导轨13、卡座14、机械臂单元机构二2、底座滑板二21、第二步进电机22、固定柱23、第一卡槽24、第二卡槽25、机械臂单元机构三3、底座滑板三31、第三步进电机311、第一舵机312、底座滑板四32、第四步进电机321、第二舵机322、电磁吸盘4。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-7，本发明提供一种技术方案：
智能下棋机器人的棋子在棋盘上位置、颜色的识别方法，包括以下几个步骤：
1建立电子棋盘模块：将电子棋盘模块整体划分为驱动电路单元A区、霍尔元件阵列单元B区、电压比较单元C区和信息处理单元D区，驱动电路单元A区用于增加电子棋盘模块的驱动能力，霍尔元件阵列单元B区用于将电子棋盘模块中棋格内有无棋子及棋子的颜色输出不同的电压，电压比较单元C区用于对霍尔元件阵列单元B区输出的电信号进行处理，通过电压比较，将每个棋格的三种状态(1没有棋子,2有棋子且棋子黑面朝上,3有棋子且棋子白面朝上)分别处理成对应的“00,10,01”的数字信号对，完成电压的比较功能，信息处理单元D区用于对电压比较单元C区输出信号的接收和进一步处理，并通过串行口，将最后处理的棋盘信息数据发送到计算机，方便计算机的进一步处理，电子棋盘模块用于完成棋子在棋盘上位置的识别及颜色识别，具体包括以下步骤：
a确定棋子的颜色面：在每个棋子的内部安装有磁铁，磁铁有两级，分别为S极和N极，不同磁极对应棋子的不同颜色面，令S极对应棋子的白颜色面，N极对应棋子的黑色面，
b构建霍尔元件阵列单元：棋子中有磁铁，当棋子被移动到某个位置的，该处的磁场就大大增强，在每个棋盘的格点处，挖一个圆孔来放置具有双极性的霍尔元件，从而构成霍尔元件阵列单元，且霍尔元件阵列单元B区为8*8的霍尔元件阵列，与正常棋盘的棋格相匹配，
c完成棋子的位置识别及颜色识别：每个棋格下面都有一个霍尔元件，当棋格里有棋子时，该棋格处磁场会大大增强，且根据棋子朝上面的颜色不同，在棋子正下方的霍尔元件检测到的磁场的极性不一样，进而霍尔元件会输出不同的电压，通过检测棋盘上每个霍尔元件的输出电压，进而确定棋格上有没有棋子，若有，根据输出电压同时判断出棋子是黑面朝上还是白面朝上：若数字信号对“10”则为有棋子且棋子黑面朝上,若数字信号对“01”则为有棋子且棋子白面朝上，完成棋子的位置识别及颜色识别；
2建立计算机程序处理模块，具体过程为：电脑程序主要通过对电子棋盘模块传送的棋盘信息进行接收处理，以此来获取棋盘上棋子的分布信息，进而通过算法，给出计算机下一步要行棋的位置，并将此信息传送到机械臂控制装置，让机械臂控制装置来控制机械臂的具体操作来完成在棋盘上的行棋过程，计算机程序处理模块中电脑程序的开发采用LabVIEW图形化计算机语言，具有快捷、直观、易于操作和使用方便的优点；
3安装机械臂控制装置，机械臂控制装置包括机械臂单元机构一1、机械臂单元机构二2和机械臂单元机构三3，且机械臂单元机构一1、机械臂单元机构二2和机械臂单元机构三3之间相互垂直，且呈三维空间结构，能够在xyz三维空间上运动，实现了机械臂的直线伸缩，或在单个平面内的移动，或在立体空间内的移动定位等功能，机械臂单元机构一1包括底座滑板一11和第一步进电机12，底座滑板一11的下端与第一步进电机12的输出轴相连接，底座滑板一11的上表面设有导轨13，导轨13上滑动连接有一卡座14，机械臂单元机构二2包括底座滑板二21和第二步进电机22，底座滑板二21的上端与第二步进电机22的输出轴相连接，底座滑板二21的底部左右两侧均设有固定柱23，卡座14上设有与固定柱23相匹配的凹槽，且固定柱23通过螺钉固定连接于凹槽内，底座滑板二21的中央位置分别开有第一卡槽24和第二卡槽25，且第一卡槽24和第二卡槽25相互平行，大小、结构相同，机械臂单元机构三3包括底座滑板三31、第三步进电机311、底座滑板四32和第四步进电机321，底座滑板三31的上端与第三步进电机311的输出轴相连接，且底座滑板三31与第一卡槽24之间通过轴承转动连接，底座滑板四32的上端与第四步进电机321的输出轴相连接，底座滑板三31的下端通过固定部件连接有第一舵机312，底座滑板四32的下端通过固定部件连接有第二舵机322，且底座滑板四32与第二卡槽25之间通过轴承转动连接，第一舵机312和第二舵机322的机架两侧内壁上均设有电磁吸盘4，机械臂控制装置用于实现棋子的反转，具体包括以下步骤：
a通过第一步进电机12和第二步进电机22分别带动底座滑板一11和底座滑板二21运动，从而使该机械臂在X轴和Y轴方向上运动，进而将第一舵机312移动到要翻转的棋子上方，
b第三步进电机311带动第一舵机312向下运动，使第一舵机312机架上的电磁吸盘4贴近待翻转的棋子，并使电磁吸盘4通电吸取棋子；使第二舵机322的机架顺时针旋转90度，
c第三步进电机311带动第一舵机312向上运动一定距离，再使第一舵机312控制机架逆时针转动90度，
d第三步进电机311继续带动第一舵机312向上运动，直到使得第一舵机312、第二舵机322机架上的电磁吸盘4处于同一水平线上，此时棋子就在两电磁吸盘4中间，
e在第一舵机312上的电磁吸盘4断电的同时第二舵机322所带的电磁吸盘4通电，将棋子从第一舵机312的电磁吸盘4交换到了第二舵机322的电磁吸盘4上，
f第四步进电机321带动第二舵机322向下运动一定距离，再使第二舵机322控制机架逆时针转动90度，同时通过底座滑板一11和底座滑板二21上第一步进电机12和第二步进电机22的调整，使得第二舵机322的正下方就是要落子的位置，
g第四步进电机321继续第二舵机322向下运动，直到第二舵机322所带的电磁吸盘4上的棋子贴近棋盘，再使该电磁吸盘4断电，将棋子落到棋盘上，
h机械臂恢复原来开始的状态,至此完成了棋子的落子及翻转的全部过程。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.智能下棋机器人的棋子在棋盘上位置、颜色的识别方法，其特征在于，包括以下几个步骤：
1)建立电子棋盘模块：将所述电子棋盘模块整体划分为驱动电路单元A区、霍尔元件阵列单元B区、电压比较单元C区和信息处理单元D区，所述驱动电路单元A区用于增加电子棋盘模块的驱动能力，所述霍尔元件阵列单元B区用于将电子棋盘模块中棋格内有无棋子及棋子的颜色输出不同的电压，所述电压比较单元C区用于对霍尔元件阵列单元B区输出的电信号进行处理，通过电压比较，完成电压的比较功能，所述信息处理单元D区用于对电压比较单元C区输出信号的接收和进一步处理，并通过串行口，将最后处理的棋盘信息数据发送到计算机，方便计算机的进一步处理，所述电子棋盘模块用于完成棋子在棋盘上位置的识别及颜色识别，具体包括以下步骤：
a确定棋子的颜色面：在每个棋子的内部安装有磁铁，磁铁有两级，分别为S极和N极，不同磁极对应棋子的不同颜色面，
b构建霍尔元件阵列单元：棋子中有磁铁，当棋子被移动到某个位置的，该处的磁场就大大增强，在每个棋盘的格点处，挖一个圆孔来放置具有双极性的霍尔元件，从而构成霍尔元件阵列单元，
c完成棋子的位置识别及颜色识别：每个棋格下面都有一个霍尔元件，当棋格里有棋子时，该棋格处磁场会大大增强，且根据棋子朝上面的颜色不同，在棋子正下方的霍尔元件检测到的磁场的极性不一样，进而霍尔元件会输出不同的电压，通过检测棋盘上每个霍尔元件的输出电压，进而确定棋格上有没有棋子，若有，根据输出电压同时判断出棋子是黑面朝上还是白面朝上，完成棋子的位置识别及颜色识别；
2)建立计算机程序处理模块，具体过程为：电脑程序主要通过对电子棋盘模块传送的棋盘信息进行接收处理，以此来获取棋盘上棋子的分布信息，进而通过算法，给出计算机下一步要行棋的位置，并将此信息传送到机械臂控制装置，让机械臂控制装置来控制机械臂的具体操作来完成在棋盘上的行棋过程；
3)安装机械臂控制装置，所述机械臂控制装置包括机械臂单元机构一(1)、机械臂单元机构二(2)和机械臂单元机构三(3)，所述机械臂单元机构一(1)包括底座滑板一(11)和第一步进电机(12)，所述底座滑板一(11)的下端与第一步进电机(12)的输出轴相连接，所述底座滑板一(11)的上表面设有导轨(13)，所述导轨(13)上滑动连接有一卡座(14)，所述机械臂单元机构二(2)包括底座滑板二(21)和第二步进电机(22)，所述底座滑板二(21)的上端与第二步进电机(22)的输出轴相连接，所述底座滑板二(21)的底部左右两侧均设有固定柱(23)，所述卡座(14)上设有与固定柱(23)相匹配的凹槽，且固定柱(23)通过螺钉固定连接于凹槽内，所述底座滑板二(21)的中央位置分别开有第一卡槽(24)和第二卡槽(25)，且第一卡槽(24)和第二卡槽(25)相互平行，大小、结构相同，所述机械臂单元机构三(3)包括底座滑板三(31)、第三步进电机(311)、底座滑板四(32)和第四步进电机(321)，所述底座滑板三(31)的上端与第三步进电机(311)的输出轴相连接，且底座滑板三(31)与第一卡槽(24)之间通过轴承转动连接，所述底座滑板四(32)的上端与第四步进电机(321)的输出轴相连接，所述底座滑板三(31)的下端通过固定部件连接有第一舵机(312)，所述底座滑板四(32)的下端通过固定部件连接有第二舵机(322)，且底座滑板四(32)与第二卡槽(25)之间通过轴承转动连接，所述第一舵机(312)和第二舵机(322)的机架两侧内壁上均设有电磁吸盘(4)，所述机械臂控制装置用于实现棋子的反转，具体包括以下步骤：
a)通过第一步进电机(12)和第二步进电机(22)分别带动底座滑板一(11)和底座滑板二(21)运动，从而使该机械臂在X轴和Y轴方向上运动，进而将第一舵机(312)移动到要翻转的棋子上方，
b)第三步进电机(311)带动第一舵机(312)向下运动，使第一舵机(312)机架上的电磁吸盘(4)贴近待翻转的棋子，并使电磁吸盘(4)通电吸取棋子；使第二舵机(322)的机架顺时针旋转90度，
c)第三步进电机(311)带动第一舵机(312)向上运动一定距离，使第一舵机(312)控制机架逆时针转动90度，
d)第三步进电机(311)继续带动第一舵机(312)向上运动，直到使得第一舵机(312)、第二舵机(322)机架上的电磁吸盘(4)处于同一水平线上，此时棋子就在两电磁吸盘(4)中间，
e)在第一舵机(312)上的电磁吸盘(4)断电的同时第二舵机(322)所带的电磁吸盘(4)通电，将棋子从第一舵机(312)的电磁吸盘(4)交换到了第二舵机(322)的电磁吸盘(4)上，
f)第四步进电机(321)带动第二舵机(322)向下运动一定距离，再使第二舵机(322)控制机架逆时针转动90度，同时通过底座滑板一(11)和底座滑板二(21)上第一步进电机(12)和第二步进电机(22)的调整，使得第二舵机(322)的正下方就是要落子的位置，
g)第四步进电机(321)继续第二舵机(322)向下运动，直到第二舵机(322)所带的电磁吸盘(4)上的棋子贴近棋盘，再使该电磁吸盘(4)断电，将棋子落到棋盘上，
h)机械臂恢复原来开始的状态,至此完成了棋子的落子及翻转的全部过程。
2.根据权利要求1所述的智能下棋机器人的棋子在棋盘上位置、颜色的识别方法，其特征在于：所述霍尔元件阵列单元B区为8*8的霍尔元件阵列。
3.根据权利要求1所述的智能下棋机器人的棋子在棋盘上位置、颜色的识别方法，其特征在于：所述计算机程序处理模块中电脑程序的开发采用LabVIEW图形化计算机语言。
4.根据权利要求1所述的智能下棋机器人的棋子在棋盘上位置、颜色的识别方法，其特征在于：所述机械臂单元机构一(1)、机械臂单元机构二(2)和机械臂单元机构三(3)之间相互垂直，且呈三维空间结构。
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